[发明专利]用于低渗透性煤层的冷冻致裂协同水力冲孔增透促抽方法

说明书

用于低渗透性煤层的冷冻致裂协同水力冲孔增透促抽方法，包括以下步骤：在底板岩巷内向煤体施工穿层钻孔，各钻孔的终孔点呈网格状阵列布置，相邻两个钻孔分别命名为注液孔和抽采孔；对钻孔封孔安装抽采管，连接井下抽采系统进行瓦斯抽采；注液孔内注入高压水；将专用封孔器送入注液孔内的抽采管并封孔；通过专用封孔器向注液孔内注入液氮使注液孔周围的煤体冻结；在地温作用下液氮缓慢升华为氮气，氮气对煤体内的瓦斯进行有效置换和驱替；将注液孔内的抽采管连接抽采系统，进行瓦斯抽采工作。本发明原理科学，设计巧妙，封孔严实，可广泛应用于石门揭煤、过断层、采掘工作面增透促抽等工作，增透促抽效果佳，应用前景广阔。

技术领域

本发明属于煤矿安全生产技术领域，具体涉及一种用于低渗透性煤层的冷冻致裂协同水力冲孔增透促抽方法。

背景技术

我国大部分煤层具有“三低一高”（低渗透性、低饱和度、低储层压力，高变质程度）的特征。煤层的低渗透性导致瓦斯抽采困难，造成矿井“抽-掘-采”失调，形成重大安全生产隐患，为煤矿瓦斯事故的发生埋下隐患。因此，国内外学者研究提出了水力割缝、保护层开采、深孔爆破、CO₂相变致裂等煤层增透促抽技术措施。但由于种种原因所限，从技术和经济角度衡量，目前所常用的各种技术措施增透效果尚需进一步提升。

冷冻致裂现象在大自然中广泛存在，譬如冷冻导致建筑物损伤破坏、冷冻后的泥土更酥松等现象都很常见。受这些现象的启发，学者在对冻土层基建工程设计方面进行了大量研究，取得了一些有益的研究成果。后来在油气开采过程中，技术人员将这种技术应用于油气开采领域，用于增加油气层的渗透性，达到增产增效的目的，取得了良好的效果。煤炭作为一种特殊的软岩，采用超低温冷冻的方法对同样可以实现致裂煤体、增加煤体孔-裂隙、提升煤层渗透性的目的；同时，煤体对氮气吸附性较瓦斯要差，升华相变后的超低温液氮，体积膨胀数百倍，可对煤体内的瓦斯实现驱替及置换作用，进一步强化瓦斯抽采效果。

对于低渗透性煤层，尤其是突出煤层，煤体松软，透气性差，抽采困难。穿层钻孔水力冲孔技术由于其在煤层底板岩巷进行抽采钻孔及水力冲孔施工，具有安全性高、抽采时间长、卸压效果好等优点，得到了广泛的应用。但由于水力冲孔工程量巨大、喷孔严重、瓦斯超限频发等问题，在一定程度上限制了该技术的推广应用；同时，在远离水力冲孔区域煤体卸压效果差，抽采效果不理想，存在抽采空白带，需要继续实施水力冲孔措施才能消除这些抽采空白带，这就进一步增加了冲孔及钻孔工程量，增加了喷孔、瓦斯超限等问题的风险。因此，亟需寻求一种新的技术措施，在保证煤层瓦斯抽采效果和不增加工程量的前提下，有效解决前述问题。

综合以上技术可以看出，在钻孔内实施超低温液氮冷冻致裂煤体，超低温液氮升华相变体积变大500倍以上，形成巨大的氮气分压，会在非常高的氮气分压压力作用下（高压区），将瓦斯置换和驱替至远处的水力冲孔钻孔影响区域内（低压区），在注液孔与抽采孔间强大的压差作用下，可强化瓦斯抽采效果，进而可大量减少水力冲孔工程量，减少喷孔、瓦斯超限等问题。冷冻致裂协同水力冲孔技术措施，可有效提升煤层瓦斯抽采效果，对于解决矿井“抽-掘-采”失调问题大有裨益，是一种较为先进的煤层增透促抽措施。

冷冻致裂技术一般配套瓦斯抽采技术进行应用。在冷冻致裂技术现场应用过程中，一般是将液氮等通过钻孔注入煤体，一方面这些超低温液氮通过煤体注水后水体液固相变引起的巨大冻胀力，致使煤体起到冷冻致裂、增透促抽的作用；另一方面这些超低温液氮升温气化相变为气态后，对煤体内瓦斯起到气体驱替及置换的作用，进一步强化瓦斯抽采效果。